关于逆向工程与快速成型论文

1、关于逆向工程课题的预习工作1.何为逆向工程逆向工程（又称反向工程），是一种技术过程，即对一项目标产品进行逆向 分析及研究，从而演绎并得出该产品的处理流程、组织结构、功能性能规格等设计要素，以制作出功能相近，但又不完全一样的产品。逆向工程源于商业及军 事领域中的硬件分析。其主要目的是，在不能轻易获得必要的生产信息下， 直接 从成品的分析，推导出产品的设计原理。如下图 1.1 ,1.2所示。逆向工程简单 来说就是用逆向思维进行反推的过程。制造1.1 正向设计流程图Yn1.2 逆向工程设计流程图2 .通过逆向工程能做什么1) .目前逆向工程在制造领域应用广泛。简单说，主要有以下方面：(1) .汽车与

2、飞机的外型设计。.模具设计及制造。.仿形设计。.医学领域。.快速原型制造。.文物工艺品复制。.电视电影的3D造型。2) .逆向工程与传统的设计方式有众多优点：.降低成本。.缩短设计周期。.学习及消化先进设计经验、技术。.提高生产效率。.提高设计水准。3) .逆向工程存在问题：.测量方法中的实际问题。.数据处理问题。.曲面重构问题。.逆向工程无法超越原有的零件，简单的模仿无法了解到产品最初的设计思想4) .联系实际与本专业相关模具联系起来，有以下优点：.降低模具制造成本。.提高模具生产效率。.减少修模量。.提高模具行业整体技术含量。5) .我对逆向工程的评价：逆向工程发展飞快，前景很好。但是我从

3、种种资 料字里行间发现，国内逆向工程所做的CAD真型还仅限于几何外形的重构，只能 说高效但谈不上精确。相对落后的国家为了在短期内追上较发达国家， 提高自身 的竞争力，逆向工程的应用就是必然的，它可以大幅度缩短研发周期，节省大量 实验费用。但结合中国国情，逆向工程在中国可以难听点叫山寨， 故逆向工程可 能会被误认为是对知识产权的严重侵害。3 .逆向工程关键部分的简单介绍1).数据测量仪器及其测量方法。如图1.3所示1.3测量方法结构图我曾去实验室一次，据我观察，实验室内有一台非接触式和接触式测量设备。 非接触式测量设备应该是结构光三维扫描仪，接触式测量设备应该是三坐标测量 机。如图1.4和1.5

4、所示，两种方法具体比较。*1.3接触式与非接触式测量方法的比较Table 1.3 Comparison between contact and non-contact measurement非接触式刎量接触式测量设备激光扫描仪三坐标测量机测量精度10 100pm位感器光电接收器件开关器件测量速度1000 12000 点/秒人控制f较慢)前置作业需喷漆，无基准点设定坐标系统，校正基准面工件材质仅不适用于墙面反射的物体硬质材质测量死角光学阴影处及光学焦距变化处工件内部不易测量谡差随曲面变化大部分失真优势(a)测量速度快，曲面数据获取容易；(a)精度较高；(b)不必做探头半径补偿；(b)可直接测量样

5、件的特定几何特征。(c)可测量柔软、易碎、不可接触、薄件、皮毛、变形细小等工件(d)无接触力，不会伤害精密表面缺点(a)测量精度较差，无法判别特定几何特 征(b)陡峭面不易测量，激光无法照射到的 地方无法测量；(c)工件表面g探头表面不是垂直，则测 得的误差变大；(d)工件表面的明暗程度会影响测量的精 度.需逐点测鬓，速度慢(b)测量前需做半径补偿：(c)接触力太小会影响测量值；(d)接触力会造成工件及探头表面磨 耗,影啕光滑度；(e)倾斜面测量时，不易补偿半径，精 度难保证：耨越工件内部时，形状尺寸会影响 测量值a1.4、1.5接触式与非接触式测量方法对比长话短说，激光扫描仪简单好用快速但精

6、度低， 受被测样件的颜色、材质和 反射特性影响大。三坐标测量机精度高但速度慢，对于形状复杂的工件数据处理 麻烦。2)得到的点云数据还要经过模型重建软件才能得到所需的CAD真型。因此模型重构软件的优劣是逆向工程中的重中之重。下面介绍几个常见的专业软件： imageware, geomagic studio , copyCAD rapidform 等。imageware在逆向工程的方面应用最为广泛，提供了从扫描输入、点云 处理、曲面拼接、光顺、形成 class A曲面、无缝连接CAX系列、直到检测 完整的逆向工程解决方案。它处理数据的流程遵循点一曲线一曲面原则，简单清晰，便于使用，其流程图见图 1

7、.6, imageware可以处理几万至几百 万的点云数据。根据这些点云数据构造的 Class A曲面具有良好的品质和曲 面连续性。Imageware模型检测功能可以方便、直观地显示所构造的曲面模 型与实际测量数据之间的误差以及面度、圆度等几何公差。但这软件必须在 UG内才能使用，可惜我电脑装了一个学期都装不成UG（应该是电脑系统设置问题），所以现在电脑里用的是下个介绍的 geomagic。已存在的物理模型决定下工程所需要的从收空中得到点数据读入点云数据I 、二二1 点处理Wfi如需要把分账的点心取据肘芥 - I 清除不漏要的点顿先规划创建他所需的点, J1把它显示出来创建出所需要的片断决定要

8、创建的和线的类型 - W.由已存在的点创It出曲线松育/博改曲线决定哽创建的向面的欠型中内公或曲线创建曲如 ，r I曲面处史过二检叁/修改曲面1.6 imageware工作流程图geomagic studio提供了数据测量、数据网格化、曲面构建、网格压缩 等功能程序包，在曲面重建时，可以给予网格识别特征并进行特征分会计曲 面参数化，是目前对点云处理及三维曲面构建功能最强大的软件。copyCAD英国DELCA喉司CA曲列产品中的一个，主要处理测量数据 的曲面造型。作为系列产品的一部分，copyCADt系列中的其他软件可以很 好地集成。copyCAD!供了特征曲面的识别功能，主要处理测量数据的曲面

9、 造型，涵盖了从设计到制作、检测的全过程。rapidform 是韩国开发的逆向工程软件，主要用于处理测量、扫面数据 的曲面建模以及基于CT数据的医疗凸现建模，还可以完成艺术品的测量建 模以及高级图形的声称。它提供有一整套模型分割、曲面生成、曲面检测的 工具，用户可以方便的利用以前构造的曲线网络经缩放处理后应用到新的模 重构过程中。以上介绍的是目前常见的逆向工程软件，在国内能够见到的商品化的逆向工程软件均是泊来品。国内对逆向工程软件方面的研究也就主要集中在几间高 校：清华大学、浙江大学、南京航空航天大学。4 .何为快速成型技术（Rapid Prototyping Manufacturing ）快

10、速成型技术借助计算机、激光、精密传动和材料等现代手段，直接将计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM藻成一体，根据计算机上构造的三维模 型，能在很短时间内直接制造出产品样品。不需机加工设备或者模具即可快速制 造形状极为复杂的工件，从而在小批量产品生产或新产品试制时节省时间和初始 投资。快速成型技术应用非常广泛，尤其在汽车制造，航天航空，建筑，家电，卫生 医疗及娱乐等领域有强大的应用。5 .快速成型技术RP系统可分为两大类：基于激光或其它光源的成型技术，如：立体光造型（SL）、分层实体制造（LOM、选择性激光烧结（SLS）、形状沉积制造（SDM等；基于喷射的成型技术，如：熔融沉积制造（F

11、DM、三维打印制造（3DP等。光固化成形SLA（Stereo lithography Apparatus）工艺也称光造型、立体光刻及立体印刷，其工艺过程是以液态光敏树脂为材料充满液槽，由计算机控制激光束跟踪层状截面轨迹，并照射到液 槽中的液体树脂，而使这一层树脂固化，之后 升降台下降一层高度，已成型的层面上又布满一层树脂，然后再进行新一层的扫 描，新固化的一层牢固地粘在前一层上，如此重复直到整个零件制造完毕，得到1个三维实体模型。该工艺的特点是：原型件精度高，零件强度和硬度好，可 制出形状特别复杂的空心零件，生产的模型柔性化好，可随意拆装，是间接制模的理想方法。缺点是需要支撑，树脂收缩会导致精

12、度下降，另外光固化树脂有 一定的毒性而不符合绿色制造发展趋势等。分层实体制造 LOM（Laminated Object Manufacturing） 工艺或称为叠层实体制 造，其工艺原理是根据零件分层几何信息切割箔材和纸等，将所获得的层片粘接成三维实体。具工艺过程是：首先铺上一层箔材，然后用 CQ激光在计算机控制下切出本层轮廓，非零件部分全部切碎以便于去除。 当本层完成后，再铺上一层箔材，用滚子碾压并加热，以固 化黏结剂，使新铺上的一层牢固地粘接在已 成形体上，再切割该层的轮廓，如此反复直到加工完毕，最后去除切碎部分以得 到完整的零件。该工艺的特点是工作可 靠，模型支撑性好，成本低，效率高。

13、缺点是前、后处理费时费力，且不能制造中空结构件。选择性激光烧结SLS(Selective Laser Sintering) 工艺，常采用的材料有金属、 陶瓷、ABSE料等材料的粉末作为成形材料。其工艺过程是：先在工作台上铺上 一层粉末，在计算机控制下用 激光束有选择地进行烧结(零件的空心部分不烧 结，仍为粉末材料)，被烧结部分便固化在一起构成零件的实心部分。一层完成 后再进行下一层，新一层与其上一层 被牢牢地烧结在一起。全部烧结完成后， 去除多余的粉末，便得到烧结成的零件。该工艺的特点是材料适应面广，不仅能 制造塑料零件，还能制造陶瓷、金属、蜡等材料的零件。造型精度高，原型强度高，所以可用样件

14、进行功能试验或装配模拟。熔融沉积制造 FDM(Fused Deposition Manufacturing) 工艺又称为熔丝沉积成 型，其工艺过程是以热塑性成形材料丝为材料， 材料丝通过加热器的挤压头熔化 成液体，由计算机控制挤压头沿零件的每一截面的轮廓准确运动，使熔化的热 塑材料丝通过喷嘴挤出，覆盖于已建造的零件之上，并在极短的时间内迅速凝固， 形成一层材料。之后，挤压头沿轴 向向上运动一微小距离进行下一层材料的建 造。这样逐层由底到顶地堆积成一个实体模型或零件。该工艺的特点是使用、维 护简单，成本较低，速度快，一般复杂程度原型仅需要几个小时即可成型，且无污染。6 .逆向工程与快速成型一体化

15、技术在逆向工程设计过程的生产终端上结合目前先进的快速成型技术是目前的研究 热点，逆向工程和快速成型技术的综合应用目前已发展成为CAD/CAM统中相对独立的研究领域。二者的结合应用既可节约设计时间，又可节约设计成本，同时提 高了产品的设计质量和精度。逆向工程和快速成型技术的综合应用主要在逆向工 程技术应用过程中的实物或产品的三维数据测量、测量数据的预处理、三维模型的数据重构、数据误差分析及数据的对应格式输出和快速成型技术应用过程中快 速成型方法和设备的选择、数据格式的转化、快速成型的加工及精度控制这些操 作的结合和相互之间影响和制约如图1.7。下面我简单地总结并结合其他资料解释第五点内容：1)

16、.快速性。通过STLB式文件，RP陈统几乎可以与所有的CA蓟型系统无 缝连接，从CADS型到完成原型制作通常只需几小时到几十小时，大幅度缩短新 产品的开发成本和周期。可减少产品开发成本 30%-70%减少开发时间50%甚 至更少。2) .高度柔性化。快速成型系统是真正的数字化制造系统， 在整个制造过程， 仅需改变CAD1型或反求数据结构模型，对成型设备进行适当的参数调整，即可 在计算机的管理下制造出不同形状的零件或模型，特别适合新品开发或单件小批量生产。3) .技术高度集成化。快速成型技术是计算机技术、数控技术、控制技术、 激光技术、材料技术和机械工程等多项交叉学科的综合集成。它以离散/堆积为

17、方法，在计算机和数控技术基础上，追求最大的柔性为目标。4) .设计制造一体化。一个显著特点是CAD/CAM体化。由于采用了离散/ 堆积的分层制造工艺，能够很好地将 CAD CA触合起来。5) .制造自由成型化。它可根据零件的形状，不受任何专用工具或模具的限 制而自由成型，也不受零件任何复杂程度的限制，能够制造任何复杂形状与结构、 不同材料复合的零件。RP极术大大简化了工艺规程、工装设备、装配等过程， 很容易实现由产品模型驱动的直接制造或称自由制造。6) .材料使用广泛性。金属、纸张、塑料、树脂、石蜡、陶瓷甚至纤维等材 料在快速原型制造领域已有很好的应用。1.7逆向工程与快速成型一体化技术流程图

18、6 .逆向工程与快速成型一体化技术在模具制造中的应用1) .间接快速制模技术(IRT)间接快速制模技术是将快速成型技术与传统的成型技术有效地结合，实现模具的快速制造。间接快速制模技术通常以非金属材料为主(如纸、ABW程塑料、蜡、尼龙、树脂等)。通常情况下，非金属成型无法直接作为模具使用，需要以 RP (Rapid Prototyping )原型作母模，通过各种工艺转换来制造金属模具。而间接制模一般 可以使模具制造成本和周期下降一半，明显提高了生产效率。2) .直接快速制模技术(DRT对于单件小批量生产，模具的成本占有很大的比重，而修模占近 1/3,因此 小批量生产的成本较高。较好的解决方法就是

19、采用快速成型直接制造模具，可在 几天之内完成非常复杂的零部件模具的制造，而且越复杂越能显示其优越性。基于LOM( Laminated Object Manufacturing )基础的金属板材堆积成型工 艺。以LOMX艺为基础，直接采用金属片材为材料，通过激光切割、焊接或粘接 金属片材成型金属零件。基于SLS(Selective Laser Sintering)基础的金属粉末堆积成型工艺。该类工艺主要是采用激光烧结或粘接剂粘接金属粉末成型，典型代表是SLS工艺o基于FDM( Fused Deposition Modeling )基础的金属丝材熔融堆积工艺。 首先将能用FD限型的金属粉与粘接剂掺匀，然后挤压成具有足够弯曲度和粘接 度的金属丝材供FDMS备成型使用。金属材料包括不锈钢、鸨及碳化鸨。会说到快速成型技术的原因是因为我在实验室里看到了一台快速成型机和 利用它所做的模型。逆向工程，它还仅限于设计层面。要使它得以实现，得与其 他技术连接上，其中就包括快速成型技术。我不清楚逆向